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15 Mai, 2024

La réalité augmentée s’amincit grâce à l’IA et aux hologrammes

La réalité augmentée s’amincit grâce à l’IA et aux hologrammes

De nouvelles lunettes de réalité augmentée offrent des affichages compacts et portables qui ne causent pas de maux de tête.

Une nouvelle approche des lunettes de réalité augmentée utilise l’holographie et l’IA pour afficher des images animées en couleur et en 3D sur une vue autrement directe du monde réel. En effet, les lunettes de réalité augmentée peuvent améliorer notre vision du monde grâce à des images et des données numériques.

Cependant, même les titans de l’industrie tels que Google et Microsoft n’ont pas réussi à concevoir des casques de réalité augmentée qui ne soient pas encombrants, qui ne causent pas de maux de tête, ou les deux à la fois. Aujourd’hui, grâce à une combinaison d’hologrammes 3D, d’intelligence artificielle et du type de physique qui rend possible les capes d’invisibilité, des chercheurs ont mis au point un écran de réalité augmentée 3D en couleurs aussi confortable à porter que des lunettes, selon une nouvelle étude.

Alors que les casques de réalité virtuelle (RV) enveloppent le champ de vision d’une personne, bloquant sa vue du monde réel, les casques de réalité augmentée (RA) superposent des images au monde réel pour créer une réalité mixte. Parmi les applications potentielles, on peut citer l’assistance à distance pour les réparations domestiques et d’autres tâches, ou l’affichage de cartes, d’itinéraires et d’autres données pour aider les utilisateurs à atteindre leur destination, à trouver des magasins ou à en savoir plus sur leur environnement.

« Nous faisons un grand pas vers ce qui, à mon avis, pourrait être l’application phare de l’holographie : des écrans 3D ultrafins et réalistes pour la RV/AR, qui seront un jour aussi fins que des lunettes classiques ». -GORDON WETZSTEIN, UNIVERSITÉ DE STANFORD

Bien que l’éventail des applications possibles soit large et ne cesse de s’élargir, l’adoption généralisée de la réalité augmentée s’est heurtée à des obstacles majeurs. Par exemple, les écrans de réalité augmentée ne devraient idéalement pas être plus grands que des lunettes classiques pour une utilisation quotidienne confortable, mais jusqu’à présent, ils devaient s’appuyer sur des réseaux complexes et encombrants de lentilles et d’autres éléments optiques.

« Personne ne veut porter un gros casque encombrant – on a mal au cou et ce n’est tout simplement pas confortable », explique Gordon Wetzstein, professeur agrégé d’ingénierie électrique à l’université de Stanford.

En outre, comme les écrans 3D classiques, les casques de RA créent généralement l’illusion de la profondeur en montrant à chaque œil une image 2D différente. Toutefois, cette stratégie peut entraîner une fatigue oculaire.

Au lieu d’utiliser des images en 2D pour simuler une vue en 3D, les scientifiques ont déjà étudié la possibilité de créer des affichages vidéo holographiques. Un hologramme est une image qui ressemble essentiellement à une fenêtre en 2D donnant sur une scène en 3D, ce qui permet d’obtenir des images avec de la profondeur que les gens peuvent regarder sans gêne.

« Avec notre travail, nous faisons un grand pas vers ce qui pourrait être, selon moi, l’application phare de l’holographie : des écrans VR/AR 3D ultrafins et réalistes qui seront un jour aussi fins que des lunettes classiques », souligne Gordon Wetzstein. « Nous n’en sommes pas encore là, mais notre travail constitue un grand pas en avant vers cette vision ».

Un microscope électronique et une vue agrandie de celui-ci montrant les lignes angulaires d’une métasurface. Les images du microscope électronique à balayage démontrent la fabrication à micro-échelle de la conception de la métasurface de la nouvelle technologie de verre AR. Barres d’échelle : 2 micromètres [à gauche], 200 nanomètres [à droite].

Les tentatives antérieures de création d’écrans holographiques de réalité augmentée se sont heurtées à la difficulté de produire des dispositifs compacts avec des images 3D de haute qualité. Dans cette nouvelle étude, des chercheurs de Stanford, de l’université de Hong Kong et du géant technologique Nvidia ont surmonté ces problèmes à l’aide de métasurfaces optiques, qui sont des composants conçus pour courber la lumière de manière inhabituelle. La recherche sur les métasurfaces et autres métamatériaux a permis de créer des capes d’invisibilité capables de dissimuler des objets à la lumière, au son, à la chaleur et à d’autres types d’ondes, entre autres découvertes.

Les métasurfaces optiques contiennent des structures dont les motifs se répètent à des échelles plus petites que les longueurs d’onde de la lumière qu’elles sont censées influencer. Les scientifiques ont créé une métasurface qui contourne le besoin d’une optique compliquée et disgracieuse dans leur écran AR.

Le nouvel écran fait briller des diodes laser rouges, vertes et bleues sur un modulateur spatial de lumière. Ce composant est comme un minuscule écran qui contrôle la phase de la lumière qui lui est envoyée pour « créer un petit hologramme en 3D », assure Gordon Wetzstein. Cet hologramme est ensuite envoyé à un réseau de métasurface, composé d’un verre à base de plomb dans lequel sont gravés des sillons d’une profondeur de 220 nanomètres.

Les scientifiques ont utilisé l’IA pour concevoir et optimiser la structure de la métasurface. Celle-ci est ainsi devenue très fine et très efficace pour diffuser la lumière de manière uniforme à l’endroit voulu par les chercheurs, c’est-à-dire au niveau des yeux des spectateurs, au lieu de diffuser la lumière de manière aléatoire et incontrôlable, lance Gordon Wetzstein.

Un autre algorithme d’IA a été utilisé pour calculer comment transformer les images 3D en hologrammes de haute qualité, ajoute Gordon Wetzstein. L’IA permet également de calibrer l’ensemble de l’écran, y compris l’optique, l’électronique et les lasers.

Le résultat est un écran holographique de réalité augmentée ressemblant à des lunettes standard, capable d’afficher des images 3D animées en couleur. « Notre écran AI est plus fin que les écrans AR actuels et, surtout, il affiche des images en 3D pour chaque œil », explique Gordon Wetzstein. « Cela vous permet de concentrer vos yeux à différentes distances de la scène numérique, une capacité qui n’est prise en charge par aucun casque de réalité augmentée existant. L’absence de repères de mise au point dans les écrans conventionnels de RA et de RV est à l’origine de problèmes tels que la fatigue oculaire, la vision double et la réduction de la clarté visuelle, ajoute-t-il.

Gun-Yeal Lee, chercheur postdoctoral à Stanford, estime qu’outre les écrans de RA, ces nouvelles découvertes pourraient également contribuer à la mise au point d’écrans de RV compacts. « Les applications pour les écrans VR pourraient être plus simples que les écrans AR, car l’AR nécessite à la fois une image virtuelle et une efficacité transparente, ce qui rend la conception de l’AR plus difficile.

Actuellement, le nouvel écran AR ne peut superposer des images que sur un champ de vision étroit. Alors que chaque œil humain peut fournir un champ de vision d’environ 130 degrés et que les deux yeux réunis peuvent fournir un champ de vision de près de 180 degrés en regardant vers l’avant, le nouvel appareil ne peut afficher des images que sur un arc d’environ 12 degrés devant l’observateur.

Bien que ce résultat soit comparable à celui de nombreux systèmes de réalité augmentée commercialisés, les scientifiques soulignent que des recherches futures pourraient améliorer ce champ de vision, par exemple en utilisant un matériau plus apte à courber la lumière que le verre actuellement utilisé dans la métasurface.

Cependant, il ne faut pas s’attendre à acheter des lunettes holographiques de réalité augmentée de sitôt. Pour Gordon Wetzstein « la technologie développée n’est pas encore tout à fait prête pour une production de masse ». Il faudra peut-être des années pour transformer cette technologie de principe en un produit de consommation ».

Les scientifiques ont présenté leurs résultats en ligne aujourd’hui dans la revue Nature.

https://spectrum.ieee.org/augmented-reality-glasses-metasurface

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07386-0